Sensores de fibra óptica para la detección de compuestos orgánicos volátiles basados en xerogeles silíceos híbridos

Abstract

Los compuestos orgánicos volátiles (COVs) son perjudiciales para la salud y el medio ambiente. Aunque las técnicas más empleadas para la medida de COVs son la espectroscopía y la cromatografía, los sensores de fibra óptica pueden ser una alternativa por diversas razones: las fibras son inmunes a interferencias electromagnéticas, pueden operar en medios con riesgos de explosión o incendios, se pueden utilizar a largas distancias debido a su baja atenuación, tienen posibilidad de multiplexación, son sistemas de detección más económicos y poseen capacidad de miniaturización. El objetivo general de este trabajo de investigación es optimizar el sistema de medida de sensores de fibra óptica que funcionan en reflexión, y evaluar el efecto de los sustituyentes orgánicos de los xerogeles silíceos híbridos en la sensibilidad y reproducibilidad de elementos sensores en presencia de COVs. Se prepararon tres elementos sensores por inmersión de las puntas de las fibras ópticas en suspensiones coloidales obtenidas a pH 4,5, por hidrólisis y condensación de mezclas de TEOS y RTEOS (R= metilo, etilo y fenilo) en porcentajes molares 70:30%, respectivamente. Se analizó la respuesta de los elementos sensores en presencia de vapores de tolueno, ciclohexano, 2-propanol y etanol. También se midió la respuesta de los elementos sensores en presencia de vapor de agua. El cambio en la potencia óptica reflejada de los elementos sensores de fibra óptica con una configuración en reflexión puede ajustarse a un modelo polinómico de segundo grado, compatible con un mecanismo de respuesta basado en el cambio del índice de refracción en la interfase film-analito. Los ciclos de medida con tiempos de dosificación inferiores a 60 segundos mejoran la sensibilidad y límites de detección de la respuesta porque minimizan la difusión de los analitos en el film y la pérdida de vacío en el sistema. La respuesta de los elementos sensores, expresada como potencia óptica reflejada, aumentó al disminuir la temperatura. Los elementos sensores preparados con xerogeles sintetizados a partir de TEOS Y precursores híbridos (MTEOS, ETEOS o PhTEOS) en porcentajes molares 70:30%, respectivamente, no respondieron en presencia de vapor de agua, por tanto, estos materiales pueden emplearse para detectar compuestos orgánicos volátiles en condiciones atmosféricas. La sensibilidad del elemento sensor que contenía el grupo metilo fue mayor que la de los elementos sensores con grupos etilo o fenilo.